1.     배경 지식

1-1  평균 전기축

1. 각 심장 주기의 전기적 활성은 SA node(주요 심박 조율기)의 탈분극으로 시작한다.

2. 탈분극의 파형은 심방으로 퍼져서 심방근의 수축을 시작하도록 한다. 심방의 탈분극은 ECG의 P wave로 측정된다. 심방의 재분극은 탈분극 즉시 일어나고, ECG의 PR segment로 측정된다.

3. AV node에서는 전기 신호가 느려지는데, 이것은 심방이 완전히 수축하는 데 충분한 시간(그 신호가 AV bundle, 좌우 bundle branches, 심실 심근의 purkinje fibers 까지 전도되기 전에)을 제공한다.

4. 심실의 탈분극은 ECG의 QRS로 기록되고, 심실의 재분극은 T wave로 기록된다.

심장 싸이클동안에, 전류는 특수한 경로를 따라 퍼져서 위에서 요약한 특수한 절차에 따라 그 경로를 탈분극화한다. 그 결과, 전기적 활성화는 방향성(전기적 축에 의해 표현되는 공간적인 방향)을 가진다. 이러한 심장 싸이클동안에 전류의 우세한 방향을 “평균 전기축(mean electrical axis)”이라 부른다.

일반적으로, 성인에서 평균 전기축은 심장의 아래에서 정점까지와 더 낮은 왼쪽 갈비뼈를 가리키는 심실 사이 격막의 왼쪽을 연장하는 선을 따라 놓여있다.

ECG에서 기록되는 전압의 크기는 탈분극되는 세포의 양에 정비례한다. 심장의 대부분의 질량은 심실근으로 이루어져있기 때문에 가장 주되게 기록되는 파형인 QRS complex는 심실들의 탈분극을 나타낸다. 게다가, 좌심실의 질량이 우심실 질량보다 훨씬 더 크기 때문에, 더 많은 QRS complex는 좌심실의 탈분극을 나타낸다. 그리고 평균 전기축의 방향은 심실사이 격막의 왼쪽을 향한다.

1-2  전극이 놓이는 위치

몸은 전기 전도성이 있는 이온을 가진 유체를 포함한다. 이것이 피부표면에서 심장 안과 주변의 전기적 활성도를 측정 가능하게 한다. 이것은 또한 다리와 팔이 몸통의 단순한 확장으로 역할을 하도록 한다. 다리에서의 측정은 사타구니에서 일어나는 이것들의 근사치를 내고 팔에서의 측정은 그에 상응하는 어깨에서의 측정의 근차치를 낸다.

이상적으로, 전극은 피실험자의 편의를 위해 발목과 손목, 팔목에 놓는다. ECG 기록계가 적절히 작동하기 위해서는 몸에서 GND 참조점이 필요하다. 이 그라운드는 그 발목의 오른쪽 다리에 놓인 전극에서 얻을 수 있다.

1-3  ECG

몸을 삼차원으로 나타내기 위해서, 심전도 검사에서는 세 평면이 정의된다. bipolar limb leads는 frontal 평면에 있는 심장 싸이클의 전기적 활성도를 기록한다. 그리고 bipolar limb leads는 벡터 심전도의 원리를 소개하기 위해서 이번 레쓴에서 사용될 것이다.

ECG lead는 피부에 놓인 전극들에서 검출되는 심장에서 만들어진 전기적 활성을 기록하는 장치이다. 양극성의 두 개의 별개의 전극으로 구성된 한 선을 bipolar lead라고 한다. 선의 막대기를 연결하는 가상의 선은 lead axis라 부른다. 전극이 놓인 위치는 선이 기록하는 방향(음에서 양의 전극 쪽으로 향하는 방향)을 결정한다. ECG 기록계는 양과 음의 전극 사이의 차이를 계산하고, 전압 차이의 변화를 시간과 함께 나타낸다. 표준 임상 ECG는 12 선을 기록하는데, 이것들 중 세 개를 표준 (bipolar) limb leads라 부른다.

표준 bipolar limb leads의 극성과 축은 다음을 따른다.

bipolar limb lead에서 lead 1과 3에서 측정되는 전기적 흐름의 합은 lead2에서 측정되는 전기 흐름의 합과 같다. 이 관계는 Einthoven’s law라고 불리는데, 이것은 수학적으로 다음과 같이 표현된다:

Lead1 + Lead3 = Lead2

그래서 만약 어떤 두 lead의 값을 안다면 다른 세 번째 lead의 값을 계산할 수 있다.

lead의 측정을 나타내는 좋은 수학적 도구는 벡터이다. 벡터는 속도처럼 크기와 방향을 가지는 독립체이다. 심장 싸이클동안의 어떤 순간이든, 한 벡터는 lead를 통해 보여지는 실 전기적 활동성을 나타낼 것이다. 하나의 전기적 벡터는 진폭, 방향, 극성을 가지고 일반적으로 화살표처럼 시각화 된다.

-화살표의 길이는 전기적 흐름의 크기를 나타낸다.

-화살표의 방향은 전류의 방향을 나타낸다.

-화살표의 끝은 전기적 흐름의 양극을 나타낸다.

-화살표의 꼬리는 전기적 흐름의 음극을 나타낸다.

bipolar limb lead 축들은 Einthoven’s triangle이라 불리는 정삼각형을 그리기위해 사용되는데, 그것의 중심에는 심장이 놓여있다.

삼각형의 각 변은 bipolar limb lead들 중의 하나를 나타낸다. 세 bipolar limb lead들의 양의 전극들은 심장의 중심점에서 영의 참조점으로부터 전기적으로 같은 거리에 있다. 그래서 정삼각형의 세 변은 방향의 각도에 변화없이 그것들의 중심점들이 심장의 중심점에서 교차하도록 오른쪽, 왼쪽, 아래로 항상 변환될 수 있다.

1-4  평균 전기축을 근사화하는 방법

하나의 벡터는 어떤 즉각적인 때라도 심장의 전기적 활성을 나타낼 수 있다. 심장의 평균 전기적 축은 심장 싸이클에 일어나는 모든 벡터들의 총체이다.

심실의 탈분극에 의해 일어나는 QRS interval은 심장의 주된 전기적 활동을 나타내기 때문에, 이 interval을 관찰 함으로써 평균 전기축을 근사화할 수 있다. (먼저 R wave의 진폭, 그리고 나서 결합된 Q, R, S wave들)

QRS 축이라고 불리는 결과적으로 얻어진 벡터는 심장의 평균 전기축을 근사화한다. frontal 평면에서 평균 전기축의 초기 근사는 Lead1과 Lead3로부터 R wave의 크기를 그림으로써 만들어질 수 있다. 

R wave의 크기는 다음과 같이 표시한다.

1. 벡터들의 끝으로부터 수직선을 그린다.(Lead의 축에 오른쪽 각)

2. 이 두 수직선들의 교차점을 정한다.

3. 0.0점에서부터 교차점까지 새로운 벡터를 그린다.

결과적으로 얻어진 벡터의 방향은 심장의 평균전기축을 근사화한다. 벡터의 길이는 심장의 평균 potential을 근사화한다.

평균 전기축을 근사화하는 더 정확한 방법은 R wave의 크기만을 사용하는 대신, 한 lead에 대한 Q,R,S potential들을 대수적으로 더하는 것이다. 나머지 절차들은 위해서 요약한 것과 같다.

심실의 평균 전기축의 일반적인 범위는 대략 –30~+90이다. 축은 몸의 자체 변화로 살짝 이동될 수 있다. 그리고 이 일반적 범위에서 개인간의 심장의 질량, 흉곽에서 심장의 방향, 몸무게, 심장 전도 시스템의 해부상의 분포로 인해 다양하게 나타날 수 있다.

1-5 평균 전기축의 비정성화

QRS축의 방향이 일반적인 것에서부터 –30 ~ -90 사이의 변화한 것을 left axis deviation(LAD)라고 부른다. Left axis deviation은 비정상적이다.

left axis deviation은 좌심실이 탈분극하는 것을 일반적인 것보다 더 오래 걸리게 할 때 발생한다. 이것의 한 가지 원인은 고혈압과 대동맥 협장과 관련된 좌심실의 비대이다. 또한 left axis deviation은 전도 경로나 좌심실근이 손상되었을 때 일어날 것이다. 그것은 탈분극 신호를 막거나 느리게 만들기 때문이다. 그리고 이것의 일반적인 원인은 관상동맥 혈관 패색과 약물의 남용을 포함한다.

QRS축의 방향이 일반적인 것에서 +90 ~ +180사이로 변화한 것을 right axis deviation(RAD)라고 한다. 길고 좁은 가슴과 수직적인 심장을 가진 젊은 성인인 몇몇 경우에는 right axis deviation은 정상적일 수 있지만 이것 또한 비정상이다.

대부분의 성인에서 right axis deviation은 일반적으로 우심실의 비대나 우심실의 전도 시스템의 손상과 관련이 있다. 두 경우에서 right axis deviation은 우심실의 탈분극 신호가 느려지거나 막힘으로써 일어난다

1. 실험 목표
   1. 심장의 전기적 신호를 측정하는 기본적인 도구인 ECG에 친숙해진다.
   2. ECG 상에 나타나는 전기적 신호를 심장순환 사이클 동안 일어나는 기계적 운동과 연관 짓는다.
   3. 자세와 숨을 쉬는 것과 관련된 ECG의 속도와 리듬변화를 관찰한다.

1. 실험 순서
   1. 설정
   2. 컴퓨터를 켜고 BIOPAC MP3X가 꺼져있는지 확인한 다음, 전극(SS2LZ/L)를 CH1에 연결하고 BIOPAC MP3X unit을 켠다..
   3. Fig 5.6 과 같이 피실험자에 전극을 붙이고 전선을 연결한다.

      

   4. 피실험자는 누워서 안정을 취한다.
   5. Biopac Student Lab Program을 시작한다.

1. 조정

Calibrate를 눌러서 조정 데이터가 Fig 5.7 과 같이 나오면 다음 단계로 넘어가고 그렇지 않으면 조정을 다시 한다.

1. 데이터 기록

***ECG는 골격은의 수축에 의한 작은 전압 변화에 민감하다. 그렇기 때문에 피실험자는     안정을 취하고 말을 하거나 웃으면 안 된다.

1. 누운 상태의 피실험자의 ECG를 20초 동안 기록한다.

   

   1. 피실험자는 빨리 일어나서 의자에 앉고 안정을 취한다. 피실험자가 앉아서 안정을 취하는 즉시 실험자는 20초동안 ECG를 기록한다.

   

   1. 그 다음 피실험자는 앉아서 가능한 완벽한 길고 느린 숨을 다섯 번 들이마시고 내쉬고 실험자는 이 데이터를 기록한다.

   

   1. 기록을 멈추고 피실험자는 심장 박동수를 올리기 위하여 운동을 한다. 운동은 한 후 60초 동안 데이터를 기록한다.

   

   1. 피실험자에게서 전극을 제거한다.

    

   1. 데이터 분석
   2. Value, Delta T, P-P, BPM을 측정할 수 있도록 다음 표와 같이 설정한다.

       

1. 세 개의 완전한 심장 박동주기를 보기 위해 적절한 창을 설정한다.
2. 누운 상태, 앉은 상태, 깊은 숨을 쉬는 상태, 운동을 하고 난 후의 R-R interval을 각각 측정한다. 다른 부분에서도 R-R를 측정한다.
3. 하나의 심장 박동 주기를 볼 수 있도록 줌 인을 한 뒤, 누운 상태와 운동하고 난 후의 Ventricular Systole과 Diastole을 측정한다. 다른 부분에서도 같은 부분을 측정한다.

데이터와 계산

피실험자 프로파일

이름: 안유진     키: 173

 나이: 24        성별: 여성    몸무게: 60

1. 심장 박동을 측정하기 위해, R-R interval 사이에 있는 측정을 함.

누움

앉음

숨을 들이쉼

숨을 내쉼

운동 후

표 5.3

비교/ 안드라스 콜만

1. 심실의 수축과 이완

누웠을 때 심실 수축

누웠을 때 심실 이완

운동 후 심실 수축

운동 후 심실 이완

표 5.4

비교/ 안드라스 콜만

1. ECG의 구성요소들

표 5.5

[BEEL]- 안유진 Result Report 2015-11-13.docx

1.     배경 지식

1-1  심장의 주기능

심장의 주요한 기능은 두 순환계에 혈액을 퍼 올리는 것이다.

1)     폐 순환: 혈액에 산소를 공급하고 이산화탄소를 제거하기 위하여 폐를 거침.

2)     조직 순환: 세포에 산소와 영양분을 전달하고 이산화탄소를 제거함.

1-2   심장 박동에 대한 전기적이고 기계적인 절차

심장은 박동하기 위해서 세 종류의 세포가 필요하다.

1)     전기 신호를 만드는 리듬 생성기들(SA node 또는 일반적으로 심박 조율기)

2)     심박 조율기의 신호를 퍼뜨리는 도체들

3)     기계적으로 혈액을 퍼 올리는 수축성 세포들

심장은 전기적으로 탈분극과 재분극을 반복하는 특수한 심박 조율기 세포를 가지고 있다. 이 전기적 신호는 SA node에서 생성되고 특정한 전도성 길을 거쳐서 심실 근육에 전달된다. Intermodal pathway와 atrial fiber, AV node, bundle of His, 오른쪽과 왼쪽 bundle branch들, 그리고 Purkinje fibers.

탈분극의 전기 신호가 수축성 세포에 도달하면, 이것들은 기계적으로 수축(systole)한다. 재분극 신호가 심근 세포에 도달하면, 이것들은 기계적으로 이완(diastole)한다. 그래서 전기적 신호들은 심장의 기계적 운동을 일으킨다. 기계적 운동은 항상 전기적 사건에 뒤따른다.

SA node는 일반적인 심박 조율기인데, 이것은 각 전기적이고 기계적인 주기를 시작한다. SA node가 탈분극화 되면, 전기적 자극은 심방 근육을 통해 전달되고 근육을 수축하도록 한다. 그래서 SA node의 탈분극화 다음에는 심방 수축이 뒤따른다.

SA node의 신호는 intermodal fiber을 통하여 AV node에 전달된다. (탈분극화 신호는 심실에 곧 바로 전달되지 않는데, 그 이유는 심방과 심실을 분리하는 비전도성 세포가 있기 때문이다.) 이 전기적 신호는 AV node에서 약 0.20초 동안 심방이 수축할 때 지연된다. 그리고 나서 이 전기적 신호는 bundle of His, 오른쪽과 왼쪽 bundle branches, 그리고 Purkinje fiber들을 통하여 좌심실과 우심실에 전달된다. Purkinje fiber들은 전기 신호를 심실 근육에 곧바로 전달하고 심실들은 수축한다(심실 systole). 심실이 수축하는 동안, 심실들은 재분극하기 시작하고 탈분극 주기로 들어간다.

심장은 고유의 박동을 만들지만 심장 박동수(beat per minute or BPM)와 심장이 수축하는 힘은 자동 신경 시스템인 교감부와 부교감부에 의하여 변한다. 교감부(sympathetic)는 SA node의 민감도와 자동성을 높이므로 심장 박동수를 증가시킨다. 또한 심방실 전도 시스템을 지나는 전기 충격들의 전도도를 증가시키고 심방실이 수축하는 힘을 증가시킨다. 숨을 들이마시는 동안 교감부의 영향은 커진다. 부교감부(parasympathetic)는 SA node의 민감도와 자동성을 떨어뜨려 심장 박동수를 떨어뜨린다. 또한 심장의 전도도와 수축력을 감소시킨다. 부교감부의 영향은 숨을 내쉴 때 커진다.

1-3   Electrocardiogram (ECG)

심박 조율기에 의한 전기적 활동은 심장 근육을 움직이기 때문에 심장의 탈분극과 재분극의 ‘메아리들’이 나머지 인체에 전파된다. 몸의 다른 부분에 아주 민감한 전극 한쌍을 둠으로써, 심장의 전기적 활동의 메아리들을 감지할 수 있다. 이러한 전기 신호를 기록하는 것을 Electrocardiogram (ECG)라고 한다. ECG를 통하여 우리는 심장의 기계적 움직임을 추론할 수 있다. 전기적 활동성은 아래 그림과 같이 ECG 주기마다 다르다.

ECG는 심장 내의 변화를 진단하는데 유용하다. 하지만 운동하고 난 후 심장의 위치가 변하기 때문에, 우리는 이러한 전압 변화는 표준화 할 수 없다.

1-4   ECG의 구성 요소

심장의 전기적 사건(ECG)은 보통 P wave와 QRS complex, 그리고 T wave로 쪼개진 등전위 상의 패턴으로 기록된다. ECG의 wave 구성 요소뿐만 아니라, interval들과 segment들이 있다. 등전위 선은 심장의 탈분극과 재분극 순환에 전기적 활동의 시작점이고 ECG 전극들이 전기적 활동을 감지하지 못했음을 나타낸다. Interval은 wave나 complex들을 포함한 시간이다. Segment는 wave와 complex를 포함하지 않은 시간이다.

[BEEL]- 안유진 Preliminary Report1 2015-10-15.docx

1. 데이터와 계산

   이름 안유진    키 173     나이 24        성별 여성    몸무게 59

    

   비교/안드레아스 콜만

   이름 kohlmann andra's    키 170     나이 22        성별 남성    몸무게 72

    

   1. Vital Capacity(VC)

      3.532

       

      비교/안드레아스 콜만

      4.55

       

   2. Comparison of FEVx% to Normal Values

      

비교/안드레아스 콜만

1. MVV Measurement

   

   1. 12초 간격에서 싸이클의 개수: 6
   2. Respiratory cycles per minute(RR) 계산: (RR=12초 간격에서 싸이클 개수*5)

      RR = 30cycles/min

   3. 각 싸이클 측정

1. Average volume per cycle(AVPC) 계산

   위 표의 모든 싸이클에서의 부피를 더한다.

   합 =     14.14 liters

   AVPC = 합/싸이클 개수 = 14.14/6 = 2.356 liters

2. MVV 계산

   MVV = AVPC*RR = 2.356*30 = 70.68 liters/min

    

    

   비교/안드레아스 콜만

   

3. 12초 간격에서 싸이클의 개수: 9.5
4. Respiratory cycles per minute(RR) 계산: (RR=12초 간격에서 싸이클 개수*5)

   RR = 47.5cycles/min

5. 각 싸이클 측정

1. Average volume per cycle(AVPC) 계산

   위 표의 모든 싸이클에서의 부피를 더한다.

   합 =     17.155 liters

   AVPC = 합/싸이클 개수 = 17.155/9.5 = 1.805 liters

2. MVV 계산

   MVV = AVPC*RR = 1.805*47.5 = 85.737 liters/min

1.     배경 지식

1)     호흡계의 능력 평가

호흡계와 폐기관계는 숨을 들이쉬는 동안에 산소를 공급하는 중요한 기능을 수행하고, 숨을 내쉬는 동안에는 CO2를 제거하며, 산성화시키는 CO2를 제거함으로써 인체의 PH를 조절한다. 산소는 세포대사에서 중요하기 때문에, 폐기관계가 제공하는 산소의 양은 일의 능력과 신진대사의 상한 제한을 설정하는 데 중요하다. 따라서, 폐의 부피와 공기의 흐름을 측정하는 것은 한 사람의 건강과 능력을 평가하는 데 중요한 도구이다.

이번 실험에서 측정할 것

l  Forced Vital Capacity(FVC): 한 사람이 최대로 숨을 들이쉰 후 강력히 숨을 내쉴 수 있는 공기의 최대량.

l  Forced Expiratory Volume(FEV): 한 사람이 1,2,3초 간격에서 강력히 공기를 배출하는 FVC의 퍼센트.

l  Maximal Voluntary Ventilation(MVV): 전체적인 폐의 통풍을 평가하기 위해서 부피와 공기의 흐름의 비율을 결합한 폐 기능 테스트.

이러한 측정은 한 사람이 그의 호흡계의 능력에 근거하여 할 수 있는 일의 상한 제한을 가리킨다. 한 사람의 최대로 숨을 들이쉰 후 최대로 숨을 내쉬면서 이것을 따를 때, 숨을 내쉬는 공기의 양은 그 사람의 Single Stage Vital Capacity(SSVC)이다. 최대로 숨을 내쉬는 데 필요한 시간은 SSVC를 결정하는 요소가 아니다.

폐는 흉부의 빈 공간에 놓여있기 때문에, 생명에 필수적인 용량은 개인의 흉부 공간의 크기에 따라 제한 받는다. 그러므로, 크기와 관련된 변수들(나이, 성별, 몸무게)는 호흡계 능력에 영향을 준다.

심지어 한 사람 내에서도, 호흡은 공급과 수요는 활동 수준과 건강에 따라 다르다. 그에 따라, 통풍의 속도와 깊이는 고정적이지 않고 오히려 인체의 변하는 필요에 따라 일정하게 수정되어야 한다. 휴식상태보다 활동성을 늘리면, 폐를 통하여 안과 밖으로 흐르는 공기의 부피와 속도 또한 변한다. 이 부피에서의 변화와 이러한 변화가 얼마나 빨리 나타나는가 하는 것은 한 사람의 호흡계 건강을 평가하는 데 사용된다.

폐의 부피, 폐의 능력, 폐의 공기의 흐름 속도는 종종 호흡계의 건강을 진단하고 표현하는 데 측정된다.

2)     FEV와 MVV 측정

이번 실험에서, 폐의 흐름 속도를 측정하기 위한 두 가지 실험을 할 것이다.

l  Forced Expiratory Volume(FEV)

l  Maximal Voluntary Ventilation(MVV)

Ø  실험#1: Forced Expiratory Volume(FEV)

FEV는 피실험자가 생명유지에 필요한 공기는 배출시켜야 하는 시간상에서 한계가 있는 실험이다. FEV1, FEV2, FEV3은 최대로 숨을 들이 쉰 후에 1초, 2초, 3초의 기간에서 강제로 숨을 배출시킬 수 있는 생명에 필요한 용량의 퍼센트로써 정의된다.

Ø  실험#2: Maximal Voluntary Ventilation(MVV)

MVV는 폐와 호흡 근육의 최고치 수행을 측정한다. MVV는 숨을 가능한 빠르고 깊게 쉬는 동안에 일분 내에 폐 시스템을 통하여 움직이는 공기의 부피로써 계산된다. 그리고 나서, MVV를 측정하기 위해서, 호흡 주기 당 평균 부피(liters)는 분당 싸이클들의 부피(liter/min)에 의해 곱해진다.

MVV는 또한 12초 주기에 움직이는 전체 공기 부피에서 추정될 수 있다. (12초에서 전체 부피 * 5 = MVV)

MVV는 당신의 폐 시스템이 일이나 운동을 하는데 당신의 능력에 얼마나 많이 제한을 두는지에 대한 측정이다.  

2[BEEL]- 안유진 Preliminary Report1 2015-11-27.docx

피실험자 프로파일

이름 안유진    키 173      나이 24        성별 여성    몸무게 59

비교/안드레아스 콜만

이름 kohlmann andra's    키 170     나이 22        성별 남성    몸무게 72

1. 데이터와 계산
   1. Vital Capaciry

      

      1. 예측: 계산 방정식을 이용하여 피실험자의 Vital Capacity: 4.89Liters
      2. 관측된 Vital Capacity: 3.621 Liters
      3. 관측 VC/계산 VC*100 = 74%

       

      비교/콜만

      

      1. 예측: 계산 방정식을 이용하여 피실험자의 Vital Capacity: 4.460Liters
      2. 관측된 Vital Capacity: 4.459 Liters
      3. 관측 VC/계산 VC*100 = 93%

       

   2. Volume & Capacity Measurements

비교/콜만

1. Observed vs Predicted Volume

비교/콜만

[BEEL]- 안유진 Result Report 2015-12-04.docx

1.     배경 지식

1)     호흡의 세가지 과정

모든 동물은 생명에 필수적인 에너지를 세포에 전달하기 위해서 산소를 필요로 한다. 세포의 신진대사 동안에 단백질, 탄수화물, 지방과 같은 영양분이 산화될 때 산소가 소비되고, 가스화된 노폐물로써 이산화탄소가 생성된다. 총괄하여, 산소가 대기로부터 들어와서 세포에 전달되고 소비되는 과정과 이산화탄소가 생성되고 폐에 전달되어 대기로 방출되는 과정을 호흡이라고 한다.

호흡의 과정은 세가지로 분류된다. 외호흡, 기체 수송, 내호흡. 외호흡은 사람이 외부로부터 산소를 얻고 이산화탄소를 방출하는 메커니즘을 말한다.. 기체 수송은 세포로 산소를 전달하거나 이산화탄소를 제거하는 데 사용되는 메커니즘이다. 내호흡은 산소가 소비되고 이산화탄소가 생성되는 세포 신진대사의 화학 반응을 말한다. 

2)     인간의 호흡계 구조

인간의 호흡계는 상부(upper division)와 하부(lower division)으로 이루어져 있다. 상부는 비강(nasal cavity), 구경(oral cavity), 인두(pharynx), 후두(larynx)로 이루어져있다.

하부는 마치 뒤집힌 나무처럼 밑으로 내려갈수록 기도가 더욱 더 가늘어지는 형태로 이루어져 있다. 보통 호흡 나무라고 일컬어지는 데, 기도(trachea), 좌우 주기관지(primary bronchus), 여러 기관지들(bronchioles)(엽기관지, 분절 기관지, 소기관지), 말단 세기관지들(terminal bronchioles), 호흡 기관지들(respiratory bronchioles), 폐포(arveolar sacs)(폐포관, 폐로)로 구성되어 있다.

3)     확산에 의한 기체 교환

폐의 공기와 혈액 사이에서 기체의 교환은 단순한 확산에 의해 일어난다. 피는 기체를 몸의 세포에 전달한다. 호흡계는 혈액에 산소를 공급하고 이산화탄소를 제거한다. 대부분의 기체교환은 폐포 수준에서 일어나고, 그 과정은 전적으로 산소와 이산화탄소의 부분 압력 유지에 의해 일어난다. 흡기동안에 폐포는 커져서 신선한 공기를 받아들인다. 호기동안에는 폐포는 더 작아지고 몇몇 기체는 대기 중으로 방출한다. 지속적이고 주기적으로 공기를 호흡 나무에서 안과 밖으로 공기를 이동시키는 과정은 폐환기(pulmonary ventilation)이라고 한다. 이러한 과정은 폐포에 있는 산소와 이산화탄소의 부분압력을 유지하기 위해 일어나기 때문에 혈액에 산소 흡수와 이산화탄소 제거를 가능하게 한다.

4)     보일의 법칙에 의한 폐환기 메커니즘

폐환기의 메커니즘은 보일의 법칙을 적용하여 가장 잘 이해될 수 있다. 보일의 법칙은 일정 온도에서 기체의 부피는 압력에 반비례한다는 것이다. 수학적으로 일정 온도에서 기체의 압력과 부피의 곱은 상수가 된다. (PV = K)

폐는 가슴우리(thoracic cage)로 이루어져있는 데, 그것은 복장뼈(sternum), 갈비뼈(ribs), 척추(vertebral column), 횡경막(diaphragm)으로 이루어져있다. 가슴우리의 조직들은 흉강(thoracic cavity)를 이루고 있는 데, 흉강은 막(membrane)들에 의해서 여러 작은 공간으로 나누어져 있다. 각 폐는 흉곽을 따라있고, 격막(Diagram)의 일부를 감싸는 폐흉막(visceral pleura)이라고 하는 얇은 막에 의해 덮여있다. 기관지들이 들어가는 각 폐의 뿌리에서, 폐흉막은 벽쪽가슴막(patietal pleura)을 형성하기 위해 폐 주변에 반사된다. 일반적으로 각각의 폐는 폐흉막의 반사에의해 형성된 흉강을 가득 채우고 있다. 옆막은 폐가 호흡 주기동안에 흉강 내부를 자유롭게 움직일 수 있게 해준다. 폐흉막과 흉막 사이의 공간을 늑막공간이라고 하는 데 이것은 potential space이다. 일반적으로 윤활처리유체(lubticating fluid)의 얇은 층이 두 흉막을 나누고 있다. 흉막은 밀폐되어있고 흉강의 일부를 이루고 있다. 그러나 폐의 내부는 기도를 통해 대기에 열려있다. 따라서 흉곽(thoracic cavity)이 커질 때마다 폐와 마찬가지로 흉강 또한 커진다.

흉곽의 부피변화는 총체적으로 호흡근이라고 불리는 골격근의 수축에 의해 만들어진다. 골격근은 두가지 그룹으로 분류된다. 흡기 근육이 수축하면 흉곽의 부피가 증가한다. 횡격막과 외늑간근(external intercostals muscles)가 그 예이다. 호기의 근육이 수축하면 흉곽의 부피는 작아진다. 내늑간근(internal intercostals muscles)와 복근(abdominal muscles)가 그 예이다.

흡기의 시작에서, 흉강은 횡격막(diaphragm)과 외늑간근(external intercostal)의 수축에의해 커진다. 일반적으로 돔 모양의 횡격막이 그것의 근섬유들이 수축될 때 평평해지는 데, 그로 인해 가슴의 부피가 증가한다. 외늑간근은 갈비뼈를 들어올려서 흉곽의 부피를 증가시킨다. 가슴의 부피가 증가하면서 폐 내의 부피가 증가하게 되고, 따라서 보일의 법칙에 의해 폐 내의 압력이 줄어든다. 폐 내의 압력이 대기압보다 낮아지자마자, 공기는 대기에서 기도를 통해 폐의 확장된 공기 공간으로 흘러 들어간다. 그리고 폐 내의 압력이 대기압과 같아질 때까지 계속 흐른다. 흡기의 끝에서, 폐 내의 입력이 대기압과 같아지면 폐 내의 부피가 흡기 시작보다 더 커지더라도 공기의 흐름은 멈춘다.

호기는 흡기 근육이 이완될 때 시작한다. 횡격막은 휴식상태의 돔 형태로 돌아가고, 가슴과 폐 내의 부피는 줄어든다. 외늑간근의 이완은 갈비뼈를 휴식상태의 위치로 낮추고, 따라서 직경이 작아져서 가슴과 폐의 부피가 줄어든다. 폐 내의 부피감소는 폐 내의 압력을 증가시킨다. 폐 내의 압력이 대기압보다 증가하자마자, 공기는 대기 중으로 나가고, 이는 폐 내의 압력이 대기압과 같아질 때까지 계속된다.

5)     폐활량계

인간이 숨을 쉬고 내 뱉는 공기의 부피는 폐활량계(spirometer)로 측정될 수 있다. 종 폐활량계(bell spirometer)은 두 개의 벽으로 둘러싸인 실린더로 이루어져 있는 데, 거기에서 산소로 농축된 공기가 가득 채워진 뒤집어진 종이 물 속에 가라앉은 채로 있는 구조이다. 도르래는 종을 기록 펜에 연결하는 데, 그 펜은 일정한 속도로 회전하는 드럼 위에 기록한다. 숨을 들이쉬는 동안, 공기는 종에서 제거되고 펜은 올라간다. 내쉰 숨이 종에 들어갈 때, 펜은 내려가고 내쉰 부피가 기록된다. 시간에 대한 부피변화의 결과 기록을 호흡곡선(spirogram)이라고 한다.

이번 실험에서, 공기흐름 변환계를 사용할 것이고, 소프트웨어는 공기의 흐름은 부피로 변환해 줄 것이며, 이로부터 폐활량계를 이용해 읽혀지는 부피를 대강 측정 할 수 있다. 이것은 폐 용량 데이터를 얻어내는 훨씬 쉬운 방법이지만, 단점은 공기흐름을 부피로 정확하게 변환하기 위해서는 기록 절차가 정확해야 한다는 것이다.

6)     폐활량의 주요 요소

총 폐활량에는 겹치지 않는 네 개의 주요 요소들이 있다.

-       Tidal volume ( 1회 환기 호흡량)

-       Inspiratory reserve volume(흡기 예비량)

-       Expiratory reserve volume (호기 예비량)

-       Residual volume (잔기 용량) 

Ø  Tidal Volume (1회 환기 호흡량, TV) : 한 번의 호흡에서 들이쉬거나 내뱉는 공기의 부피. 쉬고 있는 사람이 보통 호흡을 할 때, 1회 환기 호흡량은 대략 500ml이다. 운동 중에는 3리터보다 더 부피가 크다.

2.     실험 목표

1)     폐의 부피와 용량을 계산해보고 또, 실험적으로 관찰, 기록한다.

2)     부피와 용량에 대한 관측 값과 평균값을 비교한다.

3)     피실험자의 성별, 나이, 몸무게, 키에 따라 다른 폐의 부피와 용량의 일반적인 값을 비교한다.

3.     실험 부품 및 장비

Ø  BIOPAC Airflow Transducer w/ removable, cleanable head. (SS11LA)

Ø  BIOPAC Bacteriological Filter (AFT1): 1x/subject, plus syringe if using

Ø  calibration syringe.

Ø  BIOPAC Disposable Mouthpiece (AFT2)

Ø  BIOPAC Nose Clip (AFT3)

Ø  BIOPAC Calibration Syringe: 0.6L (AFT6) or 2L (AFT26)

Ø  Optional – BIOPAC Autoclavable Mouthpiece (AFT8)

Ø  Biopac Student Lab System

Ø  Computer System

4.     실험 방법

1)     장비에 공기흐름 변환기를 연결한다.

2)     조정 주사기/필터 조립을 공기흐름 변환기에 집어넣는다.

3)     공기흐름 변환기를 위로 잡고 그 상태를 유지한다. Calibration을 한다.

4)     입 부분의 필터 변환기를 조립한다. 피실험자는 자신의 코를 클립으로 집는다. 피실험자는 기록을 시작하기 전에 공기 흐름변환기를 통해 20초동안 평상시처럼 숨을 쉰다.

5)     기록을 시작한다. 평상시대로 5번 숨을 쉰다. -> 가능한 깊게 숨을 들이마신다. -> 가능한 깊게 순을 내쉰다. -> 평상시대로 5번 숨을 쉰다.

1. 데이터와 계산

   피실험자 프로파일

   이름 안유진    키 173

   나이 24        성별 여성    몸무게 59

    

   1. 정상호흡 (Segment 1)에서 숨을 들이마실 때, 숨을 내쉴 때의 시간과 전체적인 숨쉬는 속도를 측정한다.

      -숨을 들이마실 때

      

      -숨을 내쉴 때

      

      -전체 숨

      

      표 8.1

비교/ 게르겔 리마톤

-숨을 들이마실 때

-숨을 내쉴 때

-전체 숨

1. 나머지 상태(Segment 2-4)에서 숨을 쉬는 시간과 속도를 측정한다.

   -과호흡

   

   -저호흡

   

   -기침

   

   -크게 읽기

   

   표 8.2

비교/ 게르겔 리마톤

-과호흡

-저호흡

-기침

-크게 읽기

1. 네 가지 조건(Segment 1-4)에서의 호흡 진폭을 측정하라.

   표 8.3

비교/ 게르겔 리마톤

1. 각 조건(Segment 1-3)에서 호흡이 최대일 때와 온도의 변화가 최대일 때의 간격을 선택한다. 호흡의 깊이와 온도의 연관성

   -정상호흡

   

   -과호흡

   

    

   -저호흡

   

   표 8.4

비교/ 게르겔 리마톤

1.     배경지식

1-1.         호흡계의 주요 기능

호흡계의 주요 기능은 신체의 필요를 위해 산소를 공급하고, CO2를 배출하고 혈장의 pH를 유지하도록 돕는 것이다. 호흡 싸이클은 이러한 목표들을 순환계와 결합하여 이루어낸다.

1-2.         기계적 메커니즘

호흡 싸이클의 기계적인 방법은 숨을 들이쉬는 것과 내쉬는 과정의 교차로 이루어져있다. 숨을 들이마시는 동안에는 골격근(횡격막과 외부 늑간과 같은)은 수축하고, 그에 따라 흉부의 빈 공간과 폐의 부피가 증가한다. 증가된 부피는 폐의 압력을 대기압보가 적게 만들어서 공기가 폐로 들어가게 된다. 나머지 날숨 동안에는 숨을 쉬는 근육이 이완하고 흉부의 빈 공간과 폐의 부피를 줄어들게 한다. 이러한 감소는 기체를 대기 밖으로 나가게 한다. 일반적으로, 이러한 자연스러운 내쉼은 호흡 근육의 이완에 의하여 수동적으로 일어난다. 운동이나 기침과 같은 강제적인 내쉼을 하는 동안에는, 숨을 내쉬는 것은 흉곽을 아래로 당기고 폐를 압축하는 근육의 수축에 의지라는 능동적인 일이다.

1-3.         화학적 반응

            숨을 들이쉬는 동안에, 폐 속으로 끌어당겨진 산소는 폐의 모세혈관으로 확산되고 적혈구를 통해서 세포로 수송된다. 그 세포는 물질대사 과정에서 에너지를 공급하기 위해 산소를 사용한다. 에너지를 만들 때, 이러한 세포들은 노폐물로 이산화탄소를 만들어 낸다. 몇몇 이산화탄소는 인체의 물과 반응하여 탄산을 형성하고, 이것은 H+과 중탄산염으로 분리된다. 그리고 적혈구는 다시 폐로 CO2와 H+를 옮긴다. 폐로 들어간 그 다음에는, H+와 HCO3는 재결합하여 물과 CO2를 만든다.

1-1.         호흡 패턴에 영향을 주는 것

기본적인 호흡 패턴은 다음의 영향을 받는다.

1)     뇌에 있는 더 높은 센터

2)     동맥 시스템과 수질에 있는 주변부와 중심이 되는 화학 수용체로부터의 피드백

3)     폐의 당김 수용체

4)     인체의 다른 감각 수용체

예를 들어, 수질 호흡 센터의 뇌의 통제는 피실험자가 바늘을 꿰려 할 때 관찰된다. 호흡 싸이클을 몸의 움직임을 최소화하기 위해서 일시적으로 멈추고 바늘은 더 쉽게 꿰어질 수 있다. 또한 뇌의 통제는 말을 하는 동안에 분명히 나타나는 데, 그것은 내쉬는 공기가 성대를 지나가도록 요구한다.

1.     실험 목표

1)     호흡 기록기와 공기 온도 변환기를 이용하여 통풍(ventilation)을 측정하고 기록한다.

2)     통풍이 한 쪽 콧구멍을 통한 공기 흐름의 온도 변화와 어떤 관계가 있는 지 보인다.

3)     수질 통제 센터에서 뇌의 영향력과 화학 수용체의 영향력에 의한 가슴의 팽창과 수축과 호흡 싸이클의 속도와 깊이에서는 수정을 기록하고 관측한다.

2.     실험 부품 및 장비

>BIOPAC respiratory transducer SS5LB

>BIOPAC temperature transducer SSL6L

>Single sided (surgical) tape

>Computer system

>Biopac Student Lab software

3.     실험 방법

1)     호흡 변환기를 CH1에, 온도 변환기를 CH2에 연결한다.

2)     호흡 변환기를 피실험자에게 붙인다. 

3)     온도 변환기를 피실험자에게 붙인다.

4)     피실험자는 편안하게 앉아서 평상시처럼 숨을 쉰다.

5)     15초 동안 기록한다. (Segment1)

6)     피실험자는 30초 동안 과호흡을 하고 30초 동안은 과호흡에서 정상상태로 회복한다. (Segment2)

7)     피실험자는 30초 동안 호흡저하를 하고 30초 동안은 호흡저하에서 정사상태로 회복한다. (Segment3)

8)     피실험자가 기침을 한번 하도록 한 다음, 큰소리로 읽게 한다. (Segment4)

페러데이 법칙

암페어 법칙